JPH09329520A - エンジン用筒内圧センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】エンジンの空燃比向上と排気ガス浄化のため
に、シリンダ内の燃焼状態を気筒別に検出、制御するた
めの筒内圧センサとその検出方法を提供することを目的
とする。 【解決手段】筒内圧センサは、燃焼室の圧力変動を伝え
るパッドと、力を電気信号に変換する圧電素子と、電気
信号をアンプに送る端子と導線で構成しており、筒内圧
センサを装着するための取り付け穴を有したシリンダガ
スケットに、厚さおよびばね定数を最適化したパッドと
圧電素子からなる筒内圧センサを装着し、シリンダヘッ
ドとシリンダブロックの間に筒内圧センサを搭載したシ
リンダガスケットを、結合ボルトで所定の締め付け圧力
で締結している。圧電素子からの電気信号をチャージア
ンプで増幅し、エンジン制御用コンピュ−タに取り込
み、適正な命令を出し、ＥＦＩ（独立噴射）、独立ヘリ
カル吸気ポ−ト、電子制御ＥＧＲバルブなどを制御し、
エンジンを正常な状態にしてトルク変動を防止し、最適
な空燃比を得、クリーンな排ガスを排出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エンジンの燃費向
上と排気ガス浄化を目的として、燃焼室内の圧力いわゆ
る筒内圧を検出する筒内圧センサと、該筒内圧センサを
用いた筒内圧の検出方法、およびエンジンの燃焼状態を
制御する方法及びそのエンジンシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】筒内圧センサとしては、一般的に、点火
プラグの周辺に取り付けて燃焼圧を直接計測する方法が
採られており、この筒内圧センサからの検出信号によ
り、エンジン本体の失火やノッキング発生状態を検出す
る方式が開発されている。

【０００３】しかし、エンジンを多弁化したり、シリン
ダ上部に複数の動弁機構（カムシャフト）を設けるな
ど、エンジンを高出力化する目的で、より複雑構造とな
っているシリンダヘッドに、上記のような筒内圧センサ
を配置することが極めて難しくなっている。

【０００４】この欠点を補うために、燃焼圧を間接的に
計測する方法として、特開平２−１５７６３１号公報に
みられるように、シリンダガスケット内に筒内圧センサ
本体の装着部を設け、この装着部に着脱可能な圧電素子
を組み込んだ筒内圧センサが開発されている。しかしこ
の従来方法では、柔らかいガスケット材からなる広い面
積のシリンダガスケットと、高剛性の狭い受圧面積をも
つ圧電素子が並列に並んだ構成となっている。このた
め、シリンダヘッドとシリンダブロックとの間に、この
筒内圧センサを組み込んだシリンダガスケットを挾んで
締結するとき、圧縮代は大部の面積を占めるガスケット
材によって決定されるので、圧電素子を最適な圧縮代で
締結することが極めて困難であった。そのため、圧縮代
が不足の場合には、圧電素子が両者間で振動するなどし
て精度の良い検出信号、とくに高周波帯域での検出信号
が得られない一方、締め代が過大な場合には、圧電素子
が破損してしまうといった欠点があった。

【０００５】さらにこの従来方式の筒内圧センサでは、 シリンダガスケットや圧電素子の厚さ寸法のばらつき
をある程度許容しなければならない、 とくに複数個の圧電素子を用いる多気筒エンジンの筒
内圧センサにあっては、圧電素子相互間の厚さばらつき
も許容しなければならない、 筒内圧センサを装着したシリンダガスケットをシリン
ダブロックとシリンダヘッド間に組み立てるに際して、
結合ボルトの締め付けトルクを高精度に管理しなければ
ならない、 エンジンの温度上昇に伴う締め付け力の変化を吸収す
ることができず、検出信号の変動をきたしていた、な
ど、生産し実用化する上で大きな障害となっていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、従来
技術による筒内圧センサでは、検出性能を高めようとす
ると、生産上の障害をきたすという、性能面と生産面が
相入れないという問題を有していた。

【０００７】すなわち、筒内圧センサ本体を、１ｍｍな
いし１.５ｍｍといった薄さのシリンダガスケットに内
臓する場合に、筒内圧センサ本体およびガスケット材の
わずかな厚さのばらつきが、シリンダブロックとシリン
ダヘッドの間にシリンダガスケットを締め付けるに際
し、予期しない締め付け力の大きな変動となって表れ、
上述したような好ましからざる事態を引き起こしてい
た。

【０００８】上記問題点を解決するために、本発明で
は、これら厚さばらつきがあってもこれらを許容し、量
産に適した筒内圧センサの構造と検出システムを提供す
ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の基本となる動作
原理は、ミクロにみた場合、測定対象となるエンジンが
弾性体であり、シリンダヘッドにかかる燃焼圧に呼応し
て、シリンダブロックとシリンダヘッド間が、シリンダ
ガスケットの厚さ方向に膨張・収縮を繰り返すこと、す
なわちシリンダガスケットの厚さ変動を来すことを利用
して、この厚さ変動を検出して、シリンダ内の燃焼圧、
すなわち筒内圧を測定することにある。

【００１０】ちなみに、燃焼圧に伴うシリンダガスケッ
トの厚さ変動は、エンジンやシリンダガスケットの種類
にもよるが、例えば参考文献１）に記載されているよう
に、８ないし１２μｍ程度であり、この燃焼圧の変動
を、圧電素子による圧電効果を利用して、電気量の変動
として検出するものである。

【００１１】上記目的を達成するため、本発明の筒内圧
センサは、 (1)シリンダ内の燃焼圧を伝えるためのパッドと、圧力
を電気信号に変換する圧電素子と、電気信号をチャージ
アンプに送る端子と導線で構成しており、 (2)シリンダガスケット内のパッドと筒内圧センサ本体
を装着するための取り付け穴と導線または導線の通り溝
に、パッドと筒内圧センサ本体を装着し、シリンダヘッ
ドとシリンダブロックの間に筒内圧センサを搭載したシ
リンダガスケットを結合ボルトで所定の締め付け圧力で
締結している。

【００１２】(3)圧電素子からの電気信号をチャージア
ンプで増幅し、エンジン制御用コンピュ−タ（ＥＣＵ）
に取り込み、エンジン制御用コンピュ−タから適切な指
令を出し、エンジンの燃焼圧を正常な状態に制御する。

【００１３】(4)このとき使用するパッドは、シリンダ
ガスケットのばね定数をｋ、パッドのばね定数をｋ1と
するとき、パッドのばね定数ｋ1はｋよりも大きく、か
つ、シリンダガスケット内に筒内圧センサを装着して、
シリンダブロック・シリンダブロック間に締結したと
き、筒内圧センサ本体が破損しない範囲でなければなら
ない。

【００１４】(5)これらの構成からなる筒内圧センサに
おいては、１個の筒内圧センサで２気筒以上の燃焼圧を
検出することが可能になる。

【００１５】図３、図４に、筒内圧センサを使用したエ
ンジンとその制御システムの構成を示し、図５に筒内圧
センサを使用したときの効果を示す。燃焼室１３内の燃
焼圧の変動を、ガスケット内に装着しているパッドによ
り筒内圧センサ本体に伝え、圧電素子でパッドの圧力変
化を電気信号として検出する。この得られる電気信号
は、比較的高電圧であるが電流値が小さいため、その信
号を端子と導線を介して入力インピーダンスの高いチャ
ージアンプに伝え、インピーダンス変換を行ってエンジ
ン制御用コンピュ−タ（ＥＣＵ）に取り込む。

【００１６】例えば、シリンダ内においてノッキング発
生などの異常な圧力変動がある場合に、エンジン制御用
コンピュ−タから適切な指令を出し、燃料噴射のタイミ
ング、独立ヘリカル吸気ポ−トの開閉、電子制御ＥＧＲ
バルブなどを制御し、エンジンの燃焼を正常な状態に維
持してトルク変動を防止し、最適な空燃比を確保して、
燃料消費量を最少にして、排ガスをクリーンにする。

【００１７】ところで、本発明の筒内圧センサでは、燃
焼室内の圧力変動を、上述したようにエンジンのミクロ
な弾性変形を利用して間接的に計測するために、燃焼圧
を伝えるパッドが極めて重要な役割を果たす。

【００１８】すなわち、結合ボルトによって所定の締め
付け圧力状態でシリンダヘッドとシリンダブロックの間
に、パッドと筒内圧センサ本体の圧電素子を装着したシ
リンダガスケットを固定する。このとき、 (1)ガスケット厚さ方向に、μｍ単位の高精度で筒内圧
センサ本体の圧電素子を取り付けることができれば、燃
焼圧に呼応したシリンダガスケットの厚さ変動を圧電素
子からの電気信号として高感度に検出できる。しかし、
耐熱性の高い圧電素子は、セラミックスなどのいわゆる
硬脆材でできており、圧縮代がわずかでも許容値を超え
ると、圧電素子を破壊させてしまう。

【００１９】(2)シリンダの気密を保つため、シリンダ
ガスケットに弾性に富んだガスケット材を用いており、
きわめて変形しやすい。このため、シリンダブロックと
シリンダヘッド間に締め付けた状態で、シリンダガスケ
ットの厚さ寸法を高精度に維持することができず、上記
(1)の条件を満たすことができない。

【００２０】(3)したがって、圧電素子とシリンダヘッ
ドあるいはシリンダブロックの間に、弾性に富んだパッ
ドを挿入することになる。

【００２１】(4)しかし、パッドの弾性が過度になる
と、燃焼圧に呼応したシリンダガスケットの厚さ変動が
あっても、圧電素子には力がほとんど作用しなくなり、
高感度の電気信号が得られない。このため、このパッド
の弾性についての配慮が必要になる。

【００２２】この点について、図６を用いて説明する。

【００２３】まず、圧電素子はガスケット材やパッド材
よりも剛性が相対的に高いので、その弾性変形は無視で
きると仮定する。またシリンダガスケット３の受圧面積
が広いので、シリンダヘッド４とシリンダブロック５の
間にシリンダガスケット３が所定の締結力で締め付けら
れるとき、シリンダガスケット３の圧縮代によって、筒
内圧センサ本体とパッドの圧縮代が決定される。

【００２４】シリンダガスケット３の厚さが、公称のシ
リンダガスケット厚さｔgと(１−α)ｔgの間をばらつく
として、締結後のパッドの締め代は、公称のパッドの圧
縮代ΔとΔ＋α・ｔgの間をばらつく。したがって、パッ
ド２のバネ定数をｋ1、該パッドの受圧面積をＡ、該パ
ッドの破壊限界応力をσp、圧電素子の破壊限界応力を
σcとすると、 σc ＜ ｋ1(Δ＋α・ｔg)／Ａ ・・・ (1) σp ＜ ｋ1(Δ＋α・ｔg)／Ａ ・・・ (2) でなければならない。

【００２５】またパッド２に等しい面積のシリンダガス
ケット３のばね定数ｋよりも、パッドのばね定数ｋ1が
小さくなると、著しく検出感度が劣化するので好ましく
ない。したがって、パッド２のばね定数ｋ1は ｋ ≦ ｋ1 ＜ σc・Ａ／(Δ＋α・ｔg) ・・・ (3) ｋ ≦ ｋ1 ＜ σp・Ａ／(Δ＋α・ｔg) ・・・ (4) でなければならない。

【００２６】またこの条件範囲で、パッドのばね定数ｋ
1を大きくとるほど、力振幅λ(＝ｆ1−ｆ2)が増大し、
圧電素子への入力が大きくなり筒内圧センサの感度が良
くなるので、 Δ＞０ なる範囲で、ｋ1を可能な限り大
きくした方がよい。

【００２７】さらに、このような特徴のあるパッド２を
筒内圧センサ本体に使用することで、１個の筒内圧セン
サで２気筒以上のシリンダ内の燃焼圧を検知することが
可能である。

【００２８】シリンダガスケットの厚み方向の収縮及び
結合ボルトの伸びと燃焼圧変動の関係を図１２を用いて
説明する。

【００２９】エンジンに燃焼圧が作用するときの結合ボ
ルトの伸びとシリンダガスケットの緩み（伸び）の関係
を示したもので、シリンダガスケットの伸縮から燃焼圧
変動を測定することを特徴とするが、シリンダガスケッ
トの締め付け寸法のばらつきが問題となる。

【００３０】なぜならば、締結ボルトの伸びが同じであ
っても、シリンダガスケットの締め付け寸法がばらつく
ことにより、シリンダガスケットの伸びに対して、適切
な燃焼圧変動を検出することができない。ゆえに、シリ
ンダガスケットに直接圧電素子を挿入して使用すること
は困難である。

【００３１】また、燃焼圧変動を測定する場合、図１３
に示すように、燃焼圧の大半をシリンダガスケットで受
ける系の燃焼圧（燃焼圧力）に測定系を挿入して並列測
定することになる。測定系のばね定数が柔らかければ別
に問題ないが、センサ本体（圧電素子）は硬脆材であ
り、ばね定数が大きいためセンサ単独では、結合ボルト
の締結力のわずかな変動によりセンサ本体が破壊し、測
定が困難である。

【００３２】そこで、微小変位を力として圧電素子に伝
えるパッドが必要になる。このパッドは、シリンダガス
ケットの締め付け寸法ばらつきを吸収できること、ま
た、シリンダガスケットの微小伸縮を力として圧電素子
に伝えることが必要で、このような、両者を満たす最適
なパッドのばね定数でなければならない。

【００３３】シリンダガスケットによる伸縮が支配的な
ため、測定系の挿入による全体系への影響は考慮しなく
てもよい。しかし、パッドはただ単にクッションの効い
た柔らかいものを挿入すればよいというようなものでは
なく、パッドのばね定数が小さいと、シリンダガスケッ
トの微小伸縮を力として圧電素子に伝えることができ
ず、ばね定数が大きいと力が大きすぎて、圧電素子が破
壊する。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の筒内圧センサの第
１の実施例を図１ないし図２を参照して説明する。図１
および図２は、図３に示すようなエンジン本体１０にお
ける、シリンダヘッド４とシリンダブロック５との間に
介在している燃焼ガスの漏れを防止するシリンダガスケ
ット３の部分拡大図である。図３中で、１１はシリンダ
ブロック内に形成されたシリンダ、１２はシリンダ１１
内に配設されたピストン、１３はシリンダヘッド４内に
形成された燃焼室である。

【００３５】この場合、シリンダガスケット３には、図
１に示すようにシリンダ１１に対応する部分にシリンダ
１１の内径寸法と略同径の筒穴（シリンダ用開口部）１
４が形成されているとともに、シリンダヘッド４に図示
しない固定ボルト１５の挿入穴および冷却水や潤滑油の
流通穴がそれぞれ形成されている。

【００３６】またシリンダガスケット３の外周面および
内周面には、図２に示すように、例えば金属等の導体に
よって形成されたカバ−部材であるグロメット９が配設
されている。このグロメット９の内部には、例えば低密
度グラファイト等の柔らかい材質の一対のガスケット材
３ａ、３ｂが配設されているとともに、これらのガスケ
ット材３ａ、３ｂの間には中間板３ｃが配設されてい
る。このシリンダガスケット３には、各筒穴１４の周囲
に、略リング状の筒内圧センサ本体装着穴１６と電気信
号を伝える導線７の通り溝１７が形成されている。この
ときの導線７は、シリンダガスケット３と一体構造とな
っていても構わない。また、筒内圧センサ本体装着穴１
６は、図２に示すガスケット材３ａと中間板３ｃ、およ
びその下側にあるガスケット材３ｂの一部も取り除き形
成されている。

【００３７】さらに、このシリンダガスケット３の筒内
圧センサ本体装着穴１６内には略リング状の筒内圧セン
サ本体１８が着脱可能に取付けられている。このときの
筒内圧センサ本体１８には、ガスケット材３ａ、３ｂの
単位面積あたりのばね定数ｋよりも大きいばね定数ｋ1
の発泡金属製のパッド２と一対の圧電素子１が組み込ま
れている。また圧電素子１の外面には、正電極と負電極
にそれぞれ端子６を装着し、導線７によりチャージアン
プ８につながっている。

【００３８】エンジン稼働時には、シリンダヘッド４、
シリンダブロック５及びシリンダガスケット３の温度
は、燃焼室１３から伝導してくる熱により２５０℃から
３００℃近くにまで上昇する。そのため、図１４に示す
筒内圧センサ本体１８の製作、組立において、圧電素子
１のキュリー点は３００℃以上のもので、圧電素子１と
端子６及び端子６と導線７の材料においても３００℃以
上の耐熱性のあるものを用いている。また圧電素子１と
端子６をはんだを用いて接合する場合、はんだには３０
０℃以上で溶融する高温はんだを使用し、また、導線７
に使用している同軸ケ−ブルにも、３００℃まで耐熱性
のある被覆を使用している。

【００３９】圧電素子１からの電気信号が、端子６、導
線７を通りアンプ８で増幅するまでの配線経路では、圧
電素子１と端子６及び導線７を接合した状態で、ＰＩＱ
（ポリイミド材）などの耐熱性の高い絶縁材でコ−ティ
ングし、電気的に絶縁しており、他の導通部の影響を受
けない構成としている。その後、圧電素子１及び端子
６、導線７とパッド２を、筒内圧センサ本体装着穴１６
及び導線７の通り溝１７が加工されたシリンダガスケッ
ト３に装着し、シリンダヘッド４とシリンダブロック５
の間に筒内圧センサ本体を搭載したシリンダガスケット
３を、結合ボルト１５で所定の締め付け力で締結する。

【００４０】これにより、従来より筒内圧センサ本体１
８の取付け位置が燃焼室１３から離れた場所であって
も、筒内圧センサのパッド２の作用によってシリンダ１
１の軸方向の圧力変化を圧電素子１で検出することによ
り、高感度で燃焼圧を検知することが可能になり、燃焼
室１３からの熱による温度の影響を抑えることができ、
信頼性が向上する。

【００４１】パッド２の最適化事例を、図６、図７を用
いて下記に述べる。

【００４２】いま公称の初期シリンダガスケット３の厚
さｔgを１.４５ｍｍ、その厚さ変動αを±５％とすれ
ば、α・ｔsを±０.０７３ｍｍとなる。シリンダガスケ
ットの圧力シールド有効面積を２００ｃｍ２、これを有
効径１０ｍｍ、１０本の抗張力６０ｋｇｆ／ｍｍ2の締
結用ボルト１５を用いて、その６５％の張力でシリンダ
ガスケットをシリンダヘッド４とシリンダブロック５の
間にパッド２を挟んで締め付けたとき、シリンダガスケ
ット３の厚さｔsが、ｔ＝０.１５ｍｍ圧縮されて１.３
０ｍｍになったとする。

【００４３】このときのシリンダガスケットのばね定数
は２０４ｋｇｆ／μｍとなる。

【００４４】またシリンダボア８０ｍｍ、燃焼圧の最高
値５０ｋｇｆ／ｃｍ2とすると、これによる負荷の最大
値は２５２０ｋｇｆ、このときのシリンダヘッドの弾性
変位は１２.３μｍとなる。

【００４５】ここでパッドの破壊限界応力σpおよび圧
電素子の破壊限界応力σcを３０ｋｇｆ／ｍｍ2、安全率
を２、圧電素子の直径を６ｍｍ2にとると、Δ＝０.１ｍ
ｍでは、とりうるばね定数ｋ1は、 ｋ1＝２.４５ｋｇｆ／μｍ で、センサに働く力の変動は、３０.８ｋｇｆ、面圧の
変動に換算すると、１０９ｋｇｆ／ｃｍ2となる。

【００４６】Δを限界の０.０８ｍｍにとると、それぞ
れ ｋ1＝２.７８ｋｇｆ／μｍ、３４.８ｋｇｆ、１２３ｋ
ｇｆ／ｃｍ2 と求まる。このときの圧電素子の検出感度は最大値を示
す。

【００４７】なお、パッドの初期厚さｔp−ｔcとパッド
のばね定数ｋ1との間には、 ｔp−ｔc ∝ ｋ1 なる関係がある。

【００４８】一方、パッド材として、シリンダガスケッ
トと同じ材質を用いると、シリンダガスケットの１ｃｍ
2あたりのばね定数は、０.９８ｋｇｆ／μｍとなり、直
径６ｍｍの受圧面積をもつパッドのばね定数ｋは、０.
３６ｋｇｆ／μｍと求まる。しかしこの場合の検出感度
は、前者の１３％に過ぎない。

【００４９】次に、上記構成の作用について、図１から
図３において説明する。

【００５０】エンジン本体１０の組立時に、シリンダガ
スケット３は結合ボルト１５によって所定の締め付け圧
力状態でシリンダヘッド４とシリンダブロック５の間に
挟んで固定されている。この場合には、シリンダガスケ
ット３とシリンダガスケット３内のパッド２と筒内圧セ
ンサ本体１８の圧電素子１は通常の締め付け圧力状態で
押圧された基準状態で保持されている。

【００５１】また、エンジン本体１０の動作中は各シリ
ンダ１１内の燃焼室１３で爆発による燃焼によって、シ
リンダヘッド４にはシリンダブロック５側より離間する
方向に押圧力が発生する。そしてこの押圧力によって、
シリンダヘッド４とシリンダブロック５との間のシリン
ダガスケット３のシ−ルしている面に面圧変動が生じる
とともにパッド２も同様に面圧変動が生じる。筒内圧セ
ンサ本体装着穴１７には、ガスケット材３ａ、３ｂに替
わって、それらのばね定数ｋよりも大きいばね定数ｋ1
のパッド２と圧電素子１が組み込まれているので、シリ
ンダガスケット３のシ−ルしている面の面圧変動より
も、より大きな面圧変動が得られる。この場合、従来よ
りも燃焼室から離れた位置に筒内圧センサ本体１８を配
置して、温度の影響などの外乱の影響を小さくすること
もできる。このパッド２の変形による面圧変動に応じて
シリンダガスケット４内の各筒内圧センサ本体１８の圧
電素子１から電気信号が検出され、端子６、導線７を順
次通ってアンプ８で増幅し、エンジン制御用コンピュ−
タ（ＥＣＵ）１９に入力され、このエンジン制御用コン
ピュ−タにより各シリンダ１１内の圧力変動が個別に検
出できる。例えば、シリンダ１１内の燃焼室１３におい
てノッキング発生などの異常な圧力変動がある場合に、
エンジン制御用コンピュ−タ（ＥＣＵ）１９から適正な
命令を出し、ＥＦＩ（独立噴射）２０、独立ヘリカル吸
気ポ−ト２１、電子制御ＥＧＲバルブ２２などを制御
し、エンジンの燃焼圧を正常な状態にしてトルク変動を
防止し、図５に示す最適な空燃比にする。

【００５２】上記実施例で構成した筒内圧センサにおい
ては、各シリンダ１１毎におのおの１個ずつ筒内圧セン
サを装着した場合について述べたが、さらに、１個の筒
内圧センサには、出力信号のレベルが下がるものの、複
数のシリンダ１１の燃焼圧の出力信号が含まれている。
そのため、後述するような出力信号の分離により、１個
の筒内圧センサから複数の気筒の燃焼圧信号を検出する
ことが可能である。図８には、１個の筒内圧センサで２
気筒の燃焼圧信号を検出している実施例である。

【００５３】すなわち、４気筒エンジンの場合、図８に
示すシリンダガスケット３のシリンダ１１と対応する部
分にシリンダ１１の内径寸法と略同径の筒穴１４が形成
されている。この略同径の筒穴１４ａと略同径の筒穴１
４ｂから等距離にある中間部に、筒内圧センサ本体装着
穴１６を設け、中にはパッド２と略リング状の筒内圧セ
ンサ本体１８が着脱可能に取付けられている。この１個
の筒内圧センサで２つのシリンダ１１の燃焼圧を検出す
る。同様に、略同径の筒穴１４ｃと略同径の筒穴１４ｄ
から等距離にある中間部に、筒内圧センサを設け、１個
の筒内圧センサで２つのシリンダ１１の燃焼圧を検出す
る。例えば、図６に示すシリンダ１１内の燃焼室１３に
おいて、ノッキング現象などにより異常な圧力変動があ
る場合に、１個の筒内圧センサで２つのシリンダ１１の
燃焼圧を圧電素子１で電気信号として検出し、端子６、
導線７を順次通ってアンプ８で増幅し、その電気信号を
エンジン制御用コンピュ−タ１９に送り、エンジン制御
用コンピュ−タ１９から適正な命令を出し、ＥＦＩ（独
立噴射）２０、独立ヘリカル吸気ポ−ト２１、電子制御
ＥＧＲバルブ２２などを制御し、エンジンの燃焼圧を正
常な状態にしてトルク変動を防止し、図５に示す最適な
空燃比にする。

【００５４】このように、本発明では、従来の筒内圧セ
ンサでは不可能であった複数のシリンダ１１の燃焼圧を
１個ないし複数個の筒内圧センサで検出することが可能
である。このため、高価な筒内圧センサの使用個数を削
減できるセンサフュージョンを構築でき、エンジンのコ
ストを下げる効果がある。

【００５５】各気筒の筒内圧の算出について、４気筒エ
ンジンの実施例について次に述べる。

【００５６】第１気筒から第４気筒までの各気筒に対応
するガスケット内の４か所に、第１から第４までの合計
４個のセンサを取り付け、これらのセンサからの出力を
ｘ1、x2、ｘ3、ｘ4とすると、第１気筒における気筒内圧
は、第１センサの出力に影響を与えるだけでなく、第
２、第３、第４センサの出力に影響を与える、いわゆる
クロストークを生じる。このように、第１気筒から第４
気筒の気筒内圧は、第１から第４までのセンサ出力に影
響を与えるので、これら４個のセンサ出力から各気筒内
圧を算出する必要がある。

【００５７】この各気筒内圧を分離する演算手法とし
て、時間領域で行う方法と、周波数領域で行う方法があ
る。

【００５８】まず最初に、周波数領域で行う実施例につ
いて説明する。

【００５９】時間領域において、第１気筒から第４気筒
までの各気筒の燃焼圧を、ｆ1(t)、ｆ2(t)、ｆ3(t)、ｆ
4(t)、これら気筒の燃焼圧によって得られる第１から第
４までのセンサの出力信号を、ｘ1(t)、ｘ2(t)、ｘ3
(t)、ｘ4(t)とする。これらの個々を、それぞれラプラ
ス変換する。

【００６０】 Ｆ１(s)＝ζ[ｆ1(t)］ Ｆ2(s)＝ζ[ｆ2(t)］ Ｆ3(s)＝ζ[ｆ3(t)］ Ｆ4(s)＝ζ[ｆ4(t)］ ・・・ (5) Ｘ1(s)＝ζ[ｘ1(t)］ Ｘ2(s)＝ζ[ｘ2(t)］ Ｘ3(s)＝ζ[ｘ3(t)］ Ｘ4(s)＝ζ[ｘ4(t)］ ・・・ (6) ｓはラプラス演算子で、ｊ＝平方根（−１）、ωを円振
動数とすると、ｓ＝ｊωで与えられる。

【００６１】ここで、第１のセンサ出力Ｘ1(s)には、第
１気筒の内圧Ｆ1(s)の影響のほか、第２気筒、第３気
筒、第４気筒のそれぞれの内圧Ｆ2(s)、Ｆ3(s)、Ｆ4(s)
の影響を受ける。これらの影響度合い、すなわち伝達関
数Ｇ11(s)、Ｇ12(s)、Ｇ13(s)、Ｇ14(s)とすると、 Ｘ1(s)＝Ｇ11(s)・Ｆ1(s)＋Ｇ12(s)・Ｆ2(s)＋Ｇ13(s)・Ｆ3(s)＋Ｇ14(s)・Ｆ4(s) ・・・
（７） で与えられる。同様にＸ２（ｓ）、Ｘ3(s)、Ｘ4(s)は Ｘ2(s)＝Ｇ21(s)・Ｆ1(s)＋Ｇ22(s)・Ｆ2(s)＋Ｇ23(s)・Ｆ3(s)＋Ｇ24(s)・Ｆ4(s) Ｘ3(s)＝Ｇ31(s)・Ｆ1(s)＋Ｇ32(s)・Ｆ2(s)＋Ｇ33(s)・Ｆ3(s)＋Ｇ34(s)・Ｆ4(s) Ｘ4(s)＝Ｇ41(s)・Ｆ1(s)＋Ｇ42(s)・Ｆ2(s)＋Ｇ43(s)・Ｆ3(s)＋Ｇ44(s)・Ｆ4(s) ・・・ (8) と求まる。あるいは

【００６２】

【数９】

【００６３】と書き替えることもできる。

【００６４】これより、他の気筒内圧の影響が取り除か
れた各気筒内圧は

【００６５】

【数１０】

【００６６】と求められる。

【００６７】ここで、各気筒の吸・排気弁が完全に個別
制御できるエンジンにあっては、第２気筒から第４気筒
までの吸・排気弁を開放して、第２気筒、第３気筒、第
４気筒の気筒内圧を０として、第１気筒のみを動作させ
たときのセンサ出力信号から、それぞれの伝達関数Ｇ11
(s)、Ｇ21(s)、Ｇ31(s)、Ｇ41(s)が求まる。同様にし
て、順次、第２気筒、第３気筒、第４気筒のみを動作さ
せて、Ｇij(s)（ｉ＝１〜４、ｊ＝２〜４）も求まる。

【００６８】このようにして、Ｇij(s)は既知となるの
で、各センサの出力信号Ｘ1(s)、Ｘ2(s)、Ｘ3(s)、Ｘ4
(s)を式(10)に代入することにより、各気筒内圧Ｆ1
(s)、Ｆ2(s)、Ｆ3(s)、Ｆ4(s)が求まる。

【００６９】ところで、このような各気筒間の吸・排気
弁が完全に個別制御できないエンジン、すなわち各気筒
間の吸・排気弁が完全に連動して運転されるエンジンに
あっては、第１気筒のみを燃焼させ、第２気筒から第４
気筒は断熱圧縮・膨張のみさせて、各センサの出力信号
Ｘ1(s)、Ｘ2(s)、Ｘ3(s)、Ｘ4(s)を求める。ここで、Ｆ
2(s)、Ｆ3(s)、Ｆ4(s)の間には、吸・排気弁の開閉タイ
ミングに対応した時間遅れの相似波形を持つとすると、 Ｆ3(s)＝ｅｘｐ(−τ23・ｓ)・Ｆ2(s) ・・・ (11) Ｆ4(s)＝ｅｘｐ(−τ24・ｓ)・Ｆ2(s) ・・・ (12) となる。τ23、τ24は、４気筒、４サイクルエンジンに
おいては、大略π、２π、３πといった値である。

【００７０】同じように、第２気筒、第３気筒、第４気
筒のみを燃焼させて、Ｇij(s)（ｉ＝１〜４、ｊ＝１〜
４）を求めることができる。これらより同様に、各セン
サの出力信号Ｘ1(s)、Ｘ2(s)、Ｘ3(s)、Ｘ4(s)を入力と
して、式(10)を用いて、各気筒内圧Ｆ1(s)、Ｆ2(s)、Ｆ
3(s)、Ｆ4(s)を求めることができる。

【００７１】以上、周波数領域における各気筒内圧Ｆ1
(s)、Ｆ2(s)、Ｆ3(s)、Ｆ4(s)の求め方について述べた
が、時間領域における各気筒内圧についても、同様に求
めることができる。すなわち、各センサからの出力信号
ｘ1(t)、ｘ2(t)、ｘ3(t)、ｘ4(t)を基に、これら相互の
記述関数(describing function)ｗij(t)(ｉ＝１〜４、
ｊ＝１〜４)を求め、これら各センサからの出力信号と
記述関数のコンボリューションを求めることにより、各
気筒内圧ｆ1(t)、ｆ2(t)、ｆ3(t)、ｆ4(t)が求まる。

【００７２】あるいは、さきに述べた周波数領域におけ
る各気筒内圧Ｆ1(s)、Ｆ2(s)、Ｆ3(s)、Ｆ4(s)を、逆ラ
プラス変換することにより、時間領域における各気筒内
圧ｆ1(t)、ｆ2(t)、ｆ3(t)、ｆ4(t)を求めることができ
る。

【００７３】図９は、このようにして分離した、４サイ
クルエンジンの１気筒内の燃焼圧の測定例である。

【００７４】パッド材質としては、バネ性に富んだ金属
材料にこだわる必要はなく、カーボン材や樹脂系の材料
であっても、先述のバネ定数ｋ1の条件を満足すればよ
い。しかしカーボン材や樹脂系の材料では、応力弛緩や
クリープ現象といった経時変化を生じやすく、パッドに
予め加えられた締め付け力が時間とともに減少してい
き、筒内圧センサとしての特性が劣化していく傾向にあ
る。

【００７５】図１０は、筒内圧センサのもう一つの実施
例で、パッド２’を金属製のばね構成としたもので、所
定の予荷重が圧電素子１に与えられた状態で組み立てら
れており、同様の効果が得られる。

【００７６】またパッド材質が、圧電素子よりも圧縮破
壊応力がいくぶん小さく、過度の圧縮代に対して降伏す
るが、それ以下の条件範囲ではバネ特性をもつ材質であ
っても構わない。すなわちパッド材の圧縮破壊応力をσ
pとするとき、 σp＜σcを満足する。また σpよりも
大きな応力が作用し塑性変形した後、σp以下の応力に
対して弾性を保ち、またクリープ変形を起こさない、と
いった２条件を満足すればよい。たとえば軟質金属は、
クリープ変形の徴候があるが、厳しい検出精度や性能保
証期間が問われなければ、使用可能である。

【００７７】以上、カーボン製のシリンダガスケットに
本発明を適用した実施例についてのべたが、図１１に示
すように、金属製のシリンダガスケットに本発明を適用
しても、同様の効果が得られる。この場合パッド２８
は、金属ガスケットの上当て板２６の一部に突起形状に
形成され、先述のばね定数が得られるばね性をもたせて
いる。

【００７８】さらにその他、この発明の要旨を逸脱しな
い範囲で種々変形実施しても同様の効果が得られる。例
えば、チャージアンプの替わりに、電気信号のインピー
ダンス変換ができる増幅器であれば、他の種類の増幅器
であっても、同様の効果が得られるなどである。

【００７９】

【発明の効果】本発明により、燃焼室内にセンサまたは
センサの一部を取り付けることなく、またシリンダブロ
ックやシリンダヘッドに特別な細工を施すことなく、シ
リンダ内の燃焼圧を検出することができるので、センサ
実装部のスペ−スが十分でないエンジン環境で複雑な構
造にしなくてよい。

【００８０】とくに寸法ばらつきがあっても、十分に感
度よく燃焼圧が検出できる特徴があり、安定した性能の
筒内圧センサが生産できる。

【００８１】また、パッドの効果により、従来の筒内圧
センサよりも燃焼室から十分離れたところに筒内圧セン
サを取り付けることが可能なので、圧電素子の温度変化
による出力変動を最小限にし、かつ、外乱による振動の
影響も受けにくい。さらに、図１０に示すように、１個
の筒内圧センサで２気筒以上の燃焼室内の燃焼圧を検知
することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の筒内圧センサの一実施例を示すエンジ
ンのシリンダ部、分解図である。

【図２】図１の筒内圧センサの詳細部断面図である。

【図３】本発明の筒内圧センサを使用したエンジンの一
例である。

【図４】制御システムの構成図を示す。

【図５】図３の制御を行ったときの効果の説明である。

【図６】本発明のシリンダガスケットの厚さ方向の関係
を示す説明図である。

【図７】図６に対応した数値関係を示す図である。

【図８】１個の筒内圧センサで２気筒のシリンダの燃焼
圧を検出する一実施例である。

【図９】本発明の筒内圧センサによる燃焼圧の測定の一
例である。

【図１０】本発明の筒内圧センサの別の実施例である。

【図１１】本発明の筒内圧センサを金属製のシリンダガ
スケットに適用した実施例である。

【図１２】結合ボルトの伸び及びシリンダガスケット厚
の収縮と燃焼圧変動の関係を示す図である。

【図１３】シリンダガスケットの全体系とパッド及び圧
電素子の測定系の関係を示す図である。

【図１４】本発明の筒内圧センサの製作、組立の一例を
示すブロック線図である。

【符号の説明】

１、２５…圧電素子、２、２’…パッド、３…シリンダ
ガスケット、３ａ、３ｂ…ガスケット材、３ｃ、２４…
中間板、４…シリンダヘッド、５…シリンダブロック、
６…端子、７…導線、８…チャージアンプ、９、２３…
グロメット、１０…エンジン本体、１１…シリンダ、１
２…ピストン、１３…燃焼室、１４、１４ａ、１４ｂ、
１４ｃ、１４ｄ…筒穴、１５…結合ボルト、１６…筒内
圧センサ本体装着穴、１７…通り溝、１８…筒内圧セン
サ本体、１９…エンジン制御用コンピュ−タ（ＥＣ
Ｕ）、２０…ＥＦＩ（独立噴射）、２１…独立ヘリカル
吸気ポ−ト、２２…電子制御ＥＧＲバルブ、２６…上当
て板、２７…下当て板、２８…パッド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 文野 高之 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地株式 会社日立製作所自動車機器事業部内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シリンダヘッドとシリンダブロックの間に
   筒内圧センサ本体の装着部を設けたシリンダガスケット
   と、 燃焼室内の筒内圧変化を伝えるためのパッドと、 該パッドの圧力変化を検出するための圧電素子と、 該圧電素子の信号を増幅するチャージアンプから構成さ
   れ、筒内圧の変動によるシリンダガスケットの厚さ方向
   の弾性変形を圧電素子の電気信号として検出できるよう
   にしたことを特徴とするエンジン用筒内圧センサ。
2. 【請求項２】請求項１記載のエンジン用筒内圧センサに
   おいて、 パッドのばね定数をｋ1、パッドの面積に等しいシリン
   ダガスケットのばね定数をｋ、シリンダガスケット内に
   筒内圧センサを組み込んで締結したときのパッドの圧縮
   代をΔ、圧電素子の受圧面積をＡ、圧電素子の破壊限界
   応力をσc、シリンダガスケットの初期厚さばらつきを
   α・ｔgとするとき、パッドのばね定数ｋ1が ｋ ≦ ｋ1 ＜ σc・Ａ／（Δ＋α・ｔg） の範囲であることを特徴とするエンジン用筒内圧セン
   サ。
3. 【請求項３】請求項１又は２記載のエンジン用筒内圧セ
   ンサにおいて、 シリンダガスケットが金属製又はカーボン製であること
   を特徴とするエンジン用筒内圧センサ。
4. 【請求項４】請求項１又は２記載のパッドは、金属製の
   シリンダガスケットの一部又はカーボン製ガスケットの
   一部から構成されていることを特徴とするエンジン用筒
   内圧センサ。
5. 【請求項５】請求項１又は２記載のエンジン用筒内圧セ
   ンサにおいて、 チャージアンプをシリンダガスケットに固定したことを
   特徴とするエンジン用筒内圧センサ。
6. 【請求項６】請求項１記載のエンジン用筒内圧センサに
   おいて、 １個の筒内圧センサで２筒以上の筒内圧を検出すること
   を特徴とするエンジン用筒内圧センサ。
7. 【請求項７】請求項１記載のエンジン用筒内圧センサに
   おいて、 キュリ−点が３００℃以上の圧電素子を用い、圧電素子
   と端子を、３００℃以上の高温はんだないし低温ロウを
   用いて接合したことを特徴とするエンジン用筒内圧セン
   サ。
8. 【請求項８】請求項１記載のエンジン用筒内圧センサに
   おいて、 パッドの降伏応力をσpとするとき、 σp ＜ σc であることを特徴とする筒内圧センサ。
9. 【請求項９】シリンダヘッドとシリンダブロックの間に
   筒内圧センサ本体の装着部を設けたシリンダガスケット
   と、燃焼室内の筒内圧変化を伝えるためのパッドと、該
   パッドの圧力変化を検出するための圧電素子と、該圧電
   素子の信号を増幅するチャージアンプから構成されたエ
   ンジン用筒内圧センサと、 トルク変動を防止するためのエンジン制御用コンピュー
   タと、 該エンジン制御用コンピュータからの命令により燃焼室
   内に送るための燃料を調整するＥＦＩとからなることを
   特徴とするエンジンシステム。